基于大数据分析的城市地下管线地震安全性分析

2020-10-20周永波

华南地震 2020年3期

周永波

（山东正元地球物理信息技术有限公司,济南 250000）

0 引言

燃气供应系统、城市供热系统、城市供水系统、通信系统、交通系统、电力系统等等,在当前社会中,所有工程系统都与百姓的生活和社会的稳定息息相关,因此这些工程系统也被称为社会的生命线工程系统[1]。生命线工程系统通常是指对区域经济功能与现代城市功能可以起到维系作用的所有基础性设施工程系统,作为维持人类生活与现代城市生产的基础,生命线工程系统一旦失效,就会造成巨大的经济损失与大面积的社会困难[2]。而生命线工程系统作为维系社会功能、区域经济以及现代城市的基础性系统与工程设施,其典型对象涵盖着社会生活的方方面面,在遭遇风暴、地震等强烈灾害袭击时,生命线工程系统的受损会导致区域、城市经济功能与社会功能的瘫痪,特别是地震灾害,会对生命线工程系统的运行造成不可估量的影响与破坏[3]。城市越发达、规模越大,对生命线工程系统就会有越大的依赖性。在发生地震的区域,没有进行抗震设计的那些系统对城市是一种潜在的巨大威胁,发生地震时,随时可能使整个城市遭受巨大的人员损失与财产损失[4]。这个问题已经在上世纪发生的多次大型地震震害中得到了十分充分的证明。

而城市地下管线作为生命线工程系统中最为重要的组成部分,在城市现代化的进程中起到了重要作用。影响城市地下管线安全性的主要因素就是强烈灾害,其中地震作用的破坏性最强[5]。对地震过程中城市地下管线的破坏规律进行研究已经成为提升城市地下管线抗震性能的主要手段,也是城市防灾减灾的主要手段之一。而城市地下管线由于有土包围,因此其地震作用的管线震动特性与地上结构存在很大差异,具备独特的特点。针对这种特性,深入分析城市地下管线的地震安全性,提出一种基于大数据分析的城市地下管线地震安全性分析方法。

1 设计基于大数据分析的城市地下管线地震安全性分析方法

1.1 建立城市地下管线有限元模型

通过有限元分析软件：ANSYS对城市地下管线实施有限元建模,其中地下管线直管部分采用可以改变方向的管道,在改变方向处,通过弯管对直管进行连接,而地下管线接头处采用水泥钢丝网砂浆对接口进行抹带,管道则选取C30 混凝土[6]。建立城市地下管线的有限元模型前,首先假设城市地下管线的地面运动属于平动并且不存在转动分量,并且管道属于介质性质均匀的连续管道。

将城市地下管线简化为处于弹性地基之上的连续梁对其进行分析,通过分布均匀的土弹簧对管道受到的土介质作用进行模拟,并且土体与管道处于共同运动状态[7]。

选取实体单元 solid65作为管道模型的管道单元；将土体的运动简化为阻尼器与弹塑性弹簧的组合,选取弹簧单元combin14 作为土体单元,利用“m”法可以获取其刚度系数[8]。具体如下式：

其中,K代表土弹簧的整体刚度系数；代表管周土体的具体“m”值；b代表土弹簧在水平向的具体计算间距；z代表土弹簧在垂直向的具体计算间距；h代表管道的埋深[9]。其中,土体的“m”值具体如表1所示。

表1 土体的m值Table 1 m value of soil

而城市地下管线的材料特性与尺寸特性如表2所示[10]。

表2 城市地下管线的材料特性与尺寸特性Table 2 Material characteristics and dimension characteristics of underground pipelines in cities

城市地下管线的网格划分方式如下:壁厚方向共划分两层单元；直管段的网格采取稀疏分布网格；而弯管段则采取细致分布网格；划分的实体单元共3200个,弹簧单元共400个[11]。构建的城市地下管线有限元模型具体如图1所示。

图1 构建的城市地下管线有限元模型Fig.1 Finite element model of urban underground pipeline

完成有限元模型的构建后,需要通过人工边界的建立来对连续介质发生的阻尼作用进行模拟,以确保地震波在穿越城市地下管线时不被反射,因此建立一个弹-粘性人工边界,利用该边界计算地震作用下的地震作用下动力反应[12]。

1.2 城市地下管线地震位移响应分析

利用构建的城市地下管线有限元模型对城市地下管线进行地震位移响应分析,首先需要对城市地下管线实施模态分析,获取其振动特性[13]。利用子空间法对城市地下管线结构的周期与固有频率进行计算,获取如表3的数据[14]。通过获取数据描述城市地下管线的振型,共包括六阶振型,完成地下管线的模态分析。

（2）不确定性。企业财务风险的发生是一种概率事件，对于风险是否发生或是具有的发生时间都无法准确预计。并且财务风险受企业内部和外部诸多因素的影响，增加了财务风险发生的不确定性。

表3 城市地下管线结构的周期与固有频率Table 3 Period and natural frequency of urban underground pipeline structure

接着选取地震位移响应分析的场地,场地的具体类别如表4所示。

表4 场地的具体类别Table 4 Specific categories of the site

并绘制城市地下管线的地震响应谱,其纵坐标选择地下管线质点的最大反应；其横坐标选择地下管线体系的自振周期[15]。对各种周期的地下管线单自由度体系输入同一地震波,并按照各种阻尼比对其进行计算,即可获得城市地下管线的地震响应谱,具体如图2所示。

图2 城市地下管线的地震响应谱Fig.2 Seismic response spectrum of urban underground pipelines

其中,αmax与Tg的选取具体如表5所示。

表5 Tg与αmax的选取Table 5 Selection of Tg and αmax

为方便地震位移响应分析,将地震响应谱划分为3段,具体如下式：

其中,Tg为最优时间值,对城市地下管线进行地震位移响应分析,获取城市地下管线节点的具体位移值,如表6所示[16]。

表6 城市地下管线节点的具体位移值Table 6 Specific displacement value of urban underground pipeline node

1.3 城市地下管线地震安全性分析

根据城市地下管线的地震位移响应分析结果,基于大数据分析对城市地下管线进行地震安全性分析。首先获取地震位移响应分析结果中城市地下管线地震安全性的大数据[171]。也就是构建地震下的土-管互相作用模型,具体如图3所示。

图3 构建地震下的土-管互相作用模型Fig.3 Construction of soil-pipe interaction model under earthquake

将各种烈度下的地震波天津波数据与地震位移响应分析结果导入地震下的土-管互相作用模型中,获取多种烈度的地震波作用下,土壤与管道之间的动力响应大数据,并根据这些动力响应大数据,获取多种烈度的地震波作用下,土壤与管道之间的动力响应曲线,具体如图4、图5所示[18]。度来划分,地震烈度8度以下,城市地下管线可以保持良好的地震安全性；地震烈度8度以上,会出现管道小直径断裂的情况,使地震安全性受到影响；而地震烈度9度以上,则会出现管道大直径断裂的情况,地震安全性较低[19]。可以说城市地下管线的地震安全性随着地震烈度的升高而逐渐降低[20]。

图4 横向动力响应曲线Fig.4 Transverse dynamic response curve

图5 纵向动力响应曲线Fig.5 Longitudinal dynamic response curve

2 实验研究与分析

2.1 实验方法与流程

利用基于大数据分析的城市地下管线地震安全性分析方法对城市地下管线的地震安全性进行分析实验。首先随机选取一段城市地下管线,实验城市地下管线特性以及土体特性如表7所示。

表7 实验城市地下管线特性以及土体特性Table 7 Characteristics of underground pipeline and soil in experimental city

而实验城市地下管线的计算参数均服从正态分布,其具体计算参数如表8所示。

表8 实验城市地下管线的计算参数Table 8 Calculation parameters of underground pipeline in experimental city

接下来测量实验城市地下管线接口的允许开裂拉力与允许变形拉力,其管口的接口做法包括胶卷自应力灰、胶圈石棉灰、自应力水泥以及石棉水泥,对应的测量数据如表9所示。

表9 对应的测量数据Table 9 Corresponding measurement data

将城市地下管线的相关数据作为基础大数据进行城市地下管线的地震安全性分析。为了保证实验结果的有效性,将传统城市地下管线地震安全性分析方法与本文设计的基于大数据分析的城市地下管线地震安全性分析方法共同进行对比实验,比较各个城市地下管线地震安全性分析方法的放大拟合性能,通常放大拟合性能的判断依据为放大拟合图形的拟合密集性,放大拟合图形的拟合密集性越高,则证明其放大拟合性能越强。